Carica a idrogeno di alluminio con attrito in acqua

Engineering

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Summary

Al fine di introdurre elevate quantità di idrogeno in leghe di alluminio e alluminio, è stato sviluppato un nuovo metodo di ricarica dell'idrogeno, chiamato attrito nella procedura dell'acqua.

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Horikawa, K., Kobayashi, H. Hydrogen Charging of Aluminum using Friction in Water. J. Vis. Exp. (155), e60711, doi:10.3791/60711 (2020).

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Abstract

Un nuovo metodo di ricarica dell'idrogeno dell'alluminio è stato sviluppato mediante una procedura di attrito nell'acqua (FW). Questa procedura può facilmente introdurre elevate quantità di idrogeno in alluminio in base alla reazione chimica tra acqua e alluminio rivestito non ossido.

Introduction

In generale, le leghe di base in alluminio hanno una maggiore resistenza all'embrittlement ambientale rispetto all'acciaio. L'elevata resistenza all'embrittlement di idrogeno delle leghe di alluminio è dovuta alle pellicole di ossido sulla superficie della lega che blocca l'ingresso di idrogeno. Per valutare e confrontare l'elevata sensibilità all'embrittlement tra leghe di alluminio, la ricarica dell'idrogeno viene solitamente eseguita prima delle prove meccaniche1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, 15,16,17. Tuttavia, è noto che la ricarica dell'idrogeno in alluminio non è facile, anche quando si utilizzano metodi di carica dell'idrogeno come la ricarica catodica15, deformazione della velocità di deformazione della velocità di deformazione lenta sotto l'aria umida16, o gas idrogeno gas carica17. La difficoltà di carica dell'idrogeno leghe di alluminio è anche dovuta alle pellicole di ossido sulla superficie della lega di alluminio. Abbiamo ipotizzato che una maggiore quantità di idrogeno potrebbe essere introdotta nelle leghe di alluminio se potessimo rimuovere continuamente la pellicola di ossido in acqua. Thermodinamica18, alluminio puro senza pellicola di ossido reagisce facilmente con l'acqua e genera idrogeno. Sulla base di questo, abbiamo sviluppato un nuovo metodo di carica dell'idrogeno delle leghe di alluminio basato sulla reazione chimica tra acqua e alluminio non-ossido. Questo metodo è in grado di aggiungere elevate quantità di idrogeno in leghe di alluminio in modo semplice.

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Protocol

1. Preparazione del materiale

  1. Utilizzare piastre spesse 1 mm in lega alluminio-magnesio-silicio contenente 1 massa% Mg e 0,8 massa% Si (Al-Mg-Si).
  2. Fare pezzi di prova dalle piastre in lega Di-Mg-Si con una lunghezza del calibro di 10 mm e una larghezza di 5 mm.
  3. Anneal i pezzi di prova a 520 gradi centigradi per 1 h utilizzando un forno ad aria. Quench in acqua come soluzione di trattamento termico.
  4. Anneal i pezzi di prova a 175 gradi centigradi per 18 h come trattamento termico di picco di invecchiamento (T6-temper).
  5. Polacco la superficie dei pezzi di prova utilizzando carta emiry di carburo di silicio (#2000) senza acqua.
  6. Misurare il peso dei campioni lucidati con una precisione di 0,0001 g utilizzando una bilancia elettrica
  7. Misurare lo spessore e la larghezza della parte del misuratore dei campioni con una precisione di 0,001 mm utilizzando un comparatore ottico.

2. Procedura FW (Figura 1)

  1. Attaccare due esemplari di lega di Al-Mg-Si utilizzando la colla a un agitatore triangolare a forma di prisma realizzato da un polimero di fluorocarbonio.
  2. Preparare un contenitore di vetro cilindro con un piano vuoto come contenitore di reazione.
  3. Fissare una carta di lucidatura rotonda realizzata con carburamenti in silicio, #2000 con un diametro di 10 mm, utilizzando nastro doppio lato nella parte inferiore all'interno del contenitore.
  4. Posizionare il migliere triangolare a forma di prisma con due esemplari sulla carta lucidatura sulla superficie inferiore del contenitore di vetro.
  5. Versare 100 mL di acqua distillata nel contenitore di vetro dall'alto.
  6. Coprire il contenitore di vetro con un pezzo di gomma rotondo con tre fori (per un'uscita a gas, per una presa a gas e per una sonda di pH nella parte superiore del contenitore di vetro).
  7. Riempire il contenitore di vetro con alta purezza (99,999%) a una portata costante di 20 mL/min dopo aver chiuso il coperchio in gomma.
  8. Collegare la presa di gas a un cromatografo a gas (GC) con un sensore di idrogeno a semiconduttore (limite di rilevamento: 5 ppb).
  9. Attendere che il gas nel contenitore venga sostituito da argon.
  10. Ruotare il stirrer triangolare a forma di prisma con due esemplari su un agitatore magnetico con una velocità di rotazione costante a temperatura ambiente.
  11. Misurare la generazione di idrogeno durante la rotazione dello staffatura utilizzando il GC, prendendo una misura ogni 2 min.
  12. Misurare il pH dell'acqua nel contenitore durante la rotazione dell'agitatore.
  13. Togliere i due esemplari dall'agitatore triangolare a forma di prisma per immersione in acetone con una vibrazione ultrasonica per 5 min dopo la procedura FW.
  14. Misurare nuovamente il peso e lo spessore dei campioni dopo la procedura FW utilizzando la bilancia elettrica e un comparatore ottico, rispettivamente.

3. Assorbimento dell'idrogeno mediante la procedura FW

  1. Dopo la procedura FW, tagliare un campione ad una forma rettangolare di 1 x 5 x 10 mm.
  2. Posizionare il provino all'interno di un tubo di quarzo con un diametro di 10 mm collegato a un GC con un sensore di idrogeno a semiconduttore.
  3. Purezza elevata di flusso (99,999%) gas argon in un tubo di quarzo con una portata costante di 20 mL/min.
  4. Riscaldare il tubo di quarzo con il campione utilizzando un forno tubolare ad una velocità di riscaldamento costante, 200 c/h.
  5. Misurare la desorption termoidrogeno del campione dopo la procedura FW utilizzando il GC.

4. Valutazione del materiale dopo la procedura FW

  1. Eseguire test di tensione (almeno 3x, per garantire la ripetibilità) nell'aria di laboratorio con una velocità trasversale di 2 mm/min utilizzando un campione che è stato trattato con la procedura FW.
  2. Misurare le proprietà della tensione (ad esempio, forza della tensione, deformazione della frattura) ottenute dalla curva di sollecitazione-deformazione nella prova di tensione.
  3. Osservare il comportamento della frattura con un microscopio elettronico secondario (SEM) dopo il test della tensione.

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Representative Results

Generazione/assorbimento dell'idrogeno mediante la procedura FW
La figura 2 mostra il comportamento di generazione dell'idrogeno durante la procedura FW delle leghe Al-Mg-Si contenenti diverse quantità di ferro dallo 0,1 % di massa allo 0,7 massa %. Il campione emetteva continuamente un'elevata quantità di idrogeno quando lo stirrer iniziò a ruotare. Ciò suggerisce che l'idrogeno è stato generato da una reazione chimica causata dall'attrito tra la superficie della lega e l'acqua. Inoltre, il valore di pH dell'acqua durante la procedura FW è leggermente aumentato da 6,5 a 7,5, come illustrato nella Figura 3. Il cambiamento di pH con la procedura FW non influenzerebbe la reazione corrosiva basata sul diagramma elettrochimico proposto da Pourbaix19.

La figura 4 mostra i risultati del TDA in campioni con e senza carica di idrogeno mediante la procedura FW delle leghe Al-Mg-Si. Indipendentemente dalla composizione in lega del campione, la concentrazione totale di idrogeno dopo la procedura FW è aumentata rispetto allo stato originale non caricata. In tutti i campioni dopo la procedura FW, l'evoluzione dell'idrogeno si è verificata a un valore superiore a 400 gradi centigradi. Nei campioni caricati sull'idrogeno è stato visibile anche un piccolo picco di evoluzione dell'idrogeno. L'evoluzione dell'idrogeno di circa 300 gradi centigradi e 400 gradi centigradi sarebbe correlata all'intrappolamento dell'idrogeno da difetti del reticolo, come lussazioni e confini di grano20,21. La concentrazione di idrogeno calcolata integrando la velocità di rilascio dell'idrogeno e la temperatura da 25 a 625 gradi centigradi è illustrata nella Figura 5. È ovvio che la concentrazione di idrogeno dopo la procedura FW è aumentata di circa 4x rispetto allo stato originale.

La figura 6 mostra il confronto della concentrazione di idrogeno tra la procedura FW e la carica di idrogeno pre-ceppo di 0,1 sotto un'atmosfera d'aria umida con un'umidità relativa del 90% in un esemplare di ferro dello 0,1%. È anche chiaro che la carica di idrogeno con la procedura FW ha permesso l'introduzione di grandi quantità di idrogeno rispetto alla carica per pre-deformazione sotto aria umida.

Prestazioni meccaniche dopo la procedura FW
La figura 7 mostra i risultati dei test di tensione sia dei campioni non caricati dall'idrogeno che dei campioni caricati sull'idrogeno. È stata osservata una diminuzione della duttilità nella lega Al-Mg-Si con 0,1% di ferro subito dopo la procedura FW. Ciò indica che la lega Al-Mg-Si con 0,1% di ferro mostra l'embrittlement di idrogeno causato dall'elevata quantità di carica di idrogeno da parte della procedura FW.

La morfologia della frattura della lega Al-Mg-Si con 0,1% di ferro è cambiata in una frattura del confine del grano dopo la carica di idrogeno da parte della procedura FW, particolarmente adiacente al lato di ingresso dell'idrogeno come mostrato nella Figura 8. Ciò indica che gli atomi di idrogeno introdotti dalla procedura FW migliorano la decoesione dei confini del grano, che porta all'embrittlement di idrogeno, nella lega Al-Mg-Si con 0,1% di ferro.

Figure 1
Figura 1: Schematico dell'apparecchio utilizzato nella procedura FW. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Generazione di idrogeno durante la procedura FW. (A) 0,1% Fe, (B) 0,2% Fe, (C) 0,7% Fe. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Cambio di pH durante la procedura FW. (A) 0,1% Fe, (B) 0,2% Fe, (C) 0,7% Fe. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Analisi termica della desorption dell'idrogeno delle leghe Al-Mg-Si con ferro. (A) 0,1 Fe, (B) 0,2% Fe, (C) 0,7% Fe. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Concentrazione di idrogeno con e senza la procedura FW. (A) 0,1% Fe, (B) 0,2% Fe, (C) 0,7% Fe. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6: Confronto dell'analisi della desorption termica e concentrazione di idrogeno delle leghe Al-Mg-Si con lo 0,1% Fe in diverse condizioni di carica dell'idrogeno. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 7
Figura 7: Curve di sollecitazione-deformazione della lega Al-Mg-Si con 0,1% Fe, prima e subito dopo la procedura FW. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 8
Figura 8: Superfici di frattura di una lega Al-Mg-Si con 0,1% Fe. (A) Prima e (B) dopo la procedura FW, adiacente al lato di entrata dell'idrogeno. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

Un aspetto importante della procedura FW è l'attaccamento dei due esemplari all'agitatore magnetico. Poiché il centro della barra di stirrer diventa la zona di non attrito, è meglio evitare l'attaccamento degli esemplari al centro della barra di stirrer.

Anche il controllo della velocità di rotazione della barra di stirrer è importante. Quando la velocità è superiore a 240 giri/min, diventa difficile mantenere il vaso di reazione sullo stadio dell'agitatore magnetico. Quando la procedura FW viene eseguita ad alta velocità, è necessario fissare il recipiente di reazione allo stadio dell'agitatore magnetico.

Poiché la ricarica dell'idrogeno da parte della procedura FW si basa sulla reazione chimica tra acqua e una superficie di alluminio rivestito non-ossido, questo è un metodo semplice rispetto ai metodi convenzionali di carica dell'idrogeno, come la ricarica catodica15, pre-ceppo sotto un'atmosfera d'aria umida16. Un volume teorico di idrogeno generato viene calcolato in base alla variazione di peso nel campione prima e dopo la procedura FW. Inoltre, la procedura FW può introdurre elevate quantità di idrogeno in alluminio. Tuttavia, quando il tempo della procedura FW è più lungo, il valore di pH dell'acqua aumenta. Quando il valore di pH dell'acqua diventa >10, una reazione corrosiva tra alluminio e acqua può accadere16. Per evitare la reazione corrosiva del campione, il tempo della procedura FW dovrebbe essere limitato in modo che il valore di pH della soluzione dell'acqua varia da 4 a 10.

Nella procedura FW, la ricarica dell'idrogeno è applicabile fondamentalmente alle leghe di alluminio e alluminio a forma di piastra. La carica di idrogeno nella procedura FW si basa sull'ingresso di idrogeno da una superficie del campione di lamiera.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente in parte da The Light Metal Educational Foundation, Inc., Osaka, Giappone

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Air furnace GC QC-1
Aluminum alloy plates Kobe Steel Al/1.0 mass% Mg/0.8 mass% Si
Electric balance A&D HR-200
Glass container Custom made
Magnetic stirrer CORNING PC-410D
Optical Comparator NIKON V-12B
pH meter Sato Tech PH-230SDJ
Quartz tube Custom made
Rotary polishing machine IMT IM-P2
Secondary electrom microscope JOEL JSM-5310LV
Sensor gas chromatograph FIS Inc. SGHA
Silicon carbide emery paper IMT 531SR
Tensile testing machine Toshin Kogyo SERT-5000-C
Tubular furnace Honma Riken Custom made

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